【正文】 同樣，用兩組相位相反幅值相同 的三角波與同一個(gè)正弦調(diào)制波作比較得到兩個(gè)二階 SPWM 波，它們相減也可以得到三階 SPWM 波，如圖 3． 14 所示。 圖 3． 9 SG3525構(gòu)成的 PWM 控制電路圖 31 4． 3 DCAC 逆變控制電路設(shè)計(jì) 4． 3． 1 SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)原理 正弦脈寬調(diào)制技術(shù) (SPWM， Sinusoida PWM)是以脈寬調(diào)制技術(shù) (PWM)為基礎(chǔ)的一種調(diào)制方式，只不過(guò)是以正弦波為調(diào)制波，輸出的控制脈沖寬度以正弦函數(shù)規(guī)律變化，它采用了控制理論的一個(gè)重要結(jié)論；即：面積 (沖量 )相等而形狀 不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，產(chǎn)生的效果基本相同 ；如圖 3． 10 所示。目前，控制回路多采用PWM(脈沖寬度調(diào)制器 )控制，根 據(jù)采樣類型的不同， PWM 控制器分為電 壓型控制器和電流型控制器 。 3． 4 后級(jí)逆變電路設(shè)計(jì) 3． 4． 1 輸出濾波電路設(shè)計(jì) 后級(jí)逆變電路的功能就是通過(guò)一定的控制技術(shù)把高壓直流電轉(zhuǎn)換成交流電，結(jié)構(gòu)上使用全橋電路比較多，其電路原理圖如圖 3． 5 所示。如果某些參數(shù)不能滿足要求，就要重新設(shè)定變壓器尺寸和工作頻率。本文設(shè)計(jì)的逆變器采用含有高頻變壓器的電路結(jié)構(gòu)。 19 3． 2 逆變主電路設(shè)計(jì) 3． 2． 1 硬開(kāi)關(guān) PWM 變換技術(shù)概述 隨著自關(guān)斷功率器件的發(fā)展，硬開(kāi)關(guān) PWM 變換技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，這種技術(shù)已經(jīng)成熟且電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，比較適合本文設(shè)計(jì)的電路使用。 2．雙端式變換電路的特點(diǎn)及應(yīng)用 雙端式變換電路不包括由單端式變換電路復(fù)合而成的變換電路，它們的特點(diǎn)與性能比較如下： ⑴ 推挽式變換電路使用的開(kāi)關(guān)器件較少且輸出功率大，但開(kāi)關(guān)管 承受的電壓高，適用于輸入電壓較低的場(chǎng)合。 16 圖 2． 9 半橋式變換電路原理圖 圖中 1C = 2C ，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)電容中點(diǎn)電壓為輸入電壓的一半，即 221 ddd VVV ?? 。 當(dāng) Q 關(guān)斷時(shí)， D 導(dǎo)通， 電感 1L 釋放能量給電容 1C 充電，電感 2L 通過(guò) D釋放能量，保持輸出。 5．輔助電源和保護(hù)電路 控制電路與輸入輸出電路的某些部分或芯片有特定的輸入電壓要求，輔助電源就是為電路中特定的電壓需求設(shè)定的。本文主要內(nèi)容安排如下： 1．概括介紹逆變器定義、應(yīng)用范圍、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展前景 。 4．小型化。通過(guò)對(duì)市電整流后利用 現(xiàn)代逆變技術(shù)再轉(zhuǎn)換為市電標(biāo)準(zhǔn)，可以凈化市電的諧波污染 ，保護(hù)用電設(shè)備和用戶安全 。 1 摘要 逆變技術(shù)是整流技術(shù)的逆向變換電源技術(shù)，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的裝置 稱為逆變器。 此外，逆變器還廣泛應(yīng)用于其他多個(gè)領(lǐng)域，如交流電動(dòng)機(jī)變速調(diào)速、電動(dòng) 機(jī)制動(dòng)再生能源回饋、不間斷電源系統(tǒng)、感應(yīng)加熱、弧焊電源、變頻電源等。小型化是對(duì)應(yīng)于高頻化的結(jié)果，因?yàn)槭鼓孀兤餍⌒突饕椒ň褪翘岣唛_(kāi)關(guān)管工作頻率，使用高頻變壓器。 2．對(duì)比分析組成逆變器的各種電源變換電路結(jié)構(gòu)及原理，選擇最適合于本 文逆變器的變換結(jié)構(gòu)： DCDC 級(jí)采用推挽變換電路； DC— AC 級(jí)采用全橋變換。通常情況下輔助電源由一個(gè)或者幾個(gè)DCDC 變換器構(gòu)成，對(duì)于交流輸入的場(chǎng)合，輔助電源由整流后的電壓與 DCDC 變 9 換器組合完成。所以 Cuk 變換電路無(wú)論在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通還 是關(guān)斷期間都有能量傳遞，但由于電容 1C 上的電壓比較高，所以該電路不常用，但其優(yōu)點(diǎn)還是很明顯的。當(dāng) Q1導(dǎo)通時(shí)，電容 C1 通過(guò) Q1 和變壓器原邊放電，同時(shí)電源電壓 dV 通過(guò) Q1 和變壓器原邊給電容 C2充電， C1 與 C2中點(diǎn) A的電位上升 ； 當(dāng)Q1 關(guān)斷時(shí)， C C2端電 壓又恢復(fù)到電源電壓的一半； Q2 導(dǎo)通時(shí)工作情況與該過(guò)程相似。 ⑵ 半橋式變換電路使用的開(kāi)關(guān)器件也較少，開(kāi)關(guān)管承受的電壓不高，驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易，抗不平衡能力強(qiáng)，但輸出功率小，適合中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。 1．硬開(kāi)關(guān) P刪變換技術(shù)的基本原理 硬開(kāi)關(guān) PWM 變換電路基本結(jié)構(gòu)和工作波形如圖 3． 1所示。 3． 3 前級(jí)升壓電路設(shè)計(jì) 通過(guò)前文對(duì)比介紹各種單端、雙端變換電路，考慮到輸入電壓低，功率輸出也不大，本文選擇推挽式變換電路來(lái)完成從低壓到高壓的升壓任務(wù)。目前有些文獻(xiàn)提供了一種表格計(jì)算法， 根據(jù)所需功率和選定的工作 頻率通過(guò)查表得到最優(yōu)的磁芯型號(hào) 。 26 圖 3． 5 全橋逆變電路 后級(jí)全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最重要的部分是輸出濾波電路的設(shè)計(jì) 。 4． 1． 1 電壓型 PWM 控制 電壓型 PWM 控制模式中，通過(guò)采樣電阻對(duì) 輸出電壓 oU 的采樣與基準(zhǔn)電壓 refU比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào) eaU ，這個(gè)誤差信號(hào)放大后與三角波振蕩電路作比較，使脈沖電壓 wmU 寬度改變，從而改變功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，最終穩(wěn)定輸出。 圖 3． 10 SPWM 調(diào)制原理 將半個(gè)周期的正弦波等分為 N份脈沖，每份脈沖的寬度相同而幅值不同，且脈沖的頂部為正弦曲線的一段，也就是每個(gè)脈沖的的幅值按正弦規(guī)律變化 ,根據(jù)相等的沖量產(chǎn)生相同的效果原理，可以把這些按正弦規(guī)律變化的脈沖等效成幅值相同但寬度不同的脈沖，轉(zhuǎn)換前后的脈沖中點(diǎn)是重合的，這樣就得到一組 PWM波形，這種 PWM 波形與半 個(gè)周期的正弦波等效，可以用相同的方法得到另外半個(gè)周期的 PWM波形。 圖 由 2 組二階 SPWM 實(shí)現(xiàn)的三階 SPWM 原理 由上圖可見(jiàn)，三階 SPWM 波的脈沖數(shù)是二階的 2倍，其效果與全波三角波經(jīng)過(guò) 34 整流后的波 形與正弦波比較的 SPWM 波形一樣， 2個(gè)二階 SPWM 波中的載波、載波的奇次諧波以及他們的上下頻譜波都被消除掉了。 3．三階 SPWM 波的一種實(shí)現(xiàn)方法 用兩個(gè)相位相反且幅值相同的正弦調(diào)制波與同一組全波三角載波作比較，得到兩個(gè)二階 SPWM 波，這兩個(gè)二階 SPWM 波相減之后得到的波形就是三階 SPWM波。 PWM 控制電路圖如圖 3． 9所示。 4 控制電路原理及設(shè)計(jì) 4． 1 PWM 控制簡(jiǎn)介 前級(jí)推挽升壓電路的工作狀態(tài)由控制電路決定，控制電路對(duì)主電路中的采樣電壓或電流作為控制回路的輸入，經(jīng)過(guò)一系列比較運(yùn)算輸出占空比變化的脈沖波形控制主電路的功率器件使主電路工作在預(yù)期的狀態(tài)下。 輸出濾波電容 C 的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓的要求，輸出紋波電壓由濾波電容 c 的 ESR(等效串聯(lián)電阻 oR )決定，紋波電壓的峰值 rV 為 rV = oR dI (3． 15) 式中 dI 為電感紋波電流的峰值，對(duì)于鋁電解電容，在很大額定電壓范圍和容值范圍內(nèi)，其 oR C 的乘積在范圍 50 610? ~80 610? 內(nèi)，因此 C 的選擇可以由下式?jīng)Q定 ro VdIRC )1080(1080 66 ?? ???? (3． 16) 式中 C的單位為法 (F )， dI 的單位為安 (A )， rV 的單位為伏 (V )。通常變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，首先我們通過(guò)選定的變壓器磁芯尺寸和開(kāi)關(guān)管工作頻率計(jì)算最大輸出功率，然后計(jì)算繞線總面積，比較繞線面積和磁芯窗口面積看是否合適等。 2．使用高頻變壓器的升壓電路 含有高頻變壓器的升壓電路通常先以 P 刪方式將低壓直流電逆變成高頻方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓后整流濾波得到高壓直流電 (實(shí)為 一 整套 DC— DC 變換電路 )，然后再經(jīng)過(guò)全橋 SPWM 逆變電路和濾波電路得到 220V／ 50Hz 交流電。同時(shí)由于電路工作于 PFM(變頻 )模式下，濾波電路的設(shè)計(jì)也有困難。對(duì)于正激式變換電路，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可靠性高，應(yīng)用范圍比較廣；而反 激式變換電路一般用于功率較小的場(chǎng)合，原因是它的變壓器以電感的形式工作，體積限制了它無(wú)法應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。 4．半橋式變換電路 半橋式變換電路的原理如圖 2． 9所示。 圖 2． 5 Cuk 變換電路 假定電路處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)， D截止，電感 1L 儲(chǔ)能， 1C的放 電電流為 2C 充電，同時(shí)電感 2L 儲(chǔ)能， ci = 1Li + 2Li 。根據(jù)輸出是否需要穩(wěn)壓電路分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)輸出量只由控制電路決定，而閉環(huán)系統(tǒng)中輸出量還受反饋回路影響，使輸出更加穩(wěn)定。重點(diǎn)分析了前級(jí)輸出濾波電路的設(shè)計(jì)和后級(jí) SPWM 控制電路的硬件設(shè)計(jì)。而在由小功率逆變器通過(guò)并聯(lián)技術(shù)組成的系統(tǒng)中，每個(gè)單元的正常工作與否都不影響其它單元的工作 ，這樣對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性就有了極大的提升。 隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，負(fù)荷的急劇增加，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備、電弧放電 性負(fù)載、家用電器、氣體放電燈和其他非線性負(fù)載的使用，使大量高次諧波電 流涌入各級(jí)電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓波形畸變嚴(yán)重、三相電壓不對(duì)稱和電壓閃變波動(dòng)，損壞發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備和用電設(shè)備，危害電網(wǎng)安全。根據(jù)輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器，目前多數(shù)負(fù)載要求輸入為正弦波，因此正弦波逆變器得到了越來(lái)越多的研究和關(guān)注。 由此可見(jiàn)逆變電源對(duì)我們的生活和社會(huì)都有著極大的影響，對(duì)它的研究也具有 較大的意義。另一種方法是改進(jìn)控制法，優(yōu) SPWM波的頻譜從而減小濾波器體積。主要包括推挽變換器變壓器設(shè)計(jì)、輸出濾波電路設(shè)計(jì)、全橋輸出 SPWM 濾波電路設(shè)計(jì)以及硬件式 SPWM 倍頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。 保 護(hù)電路通常包括輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)，輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)，過(guò)載保護(hù) ,過(guò)流和短路保護(hù)。 2． 2． 2 隔離式變換電路 隔離式變換電路已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種逆變式功率變換裝置中，有單相逆變也有三相逆變，它們都是由 Buck 變換電路和 Boost 變換電路等基本電路組成的。 半橋式變換電路中開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)也有電流尖峰，情況與推挽變換電路相似，由于 Dl、 D2 的鉗位作用，開(kāi)關(guān)管端電壓限制在 dV 。 ⑶ 全橋式變換電路開(kāi)關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量多，驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，適用于功率較大的場(chǎng)合。 圖 3． 1 硬開(kāi)關(guān) PWM 變換原理 圖 3． 1(a)中， R為負(fù)載， Q為開(kāi)關(guān)管， dV 為直流輸入電壓， gV 為開(kāi)關(guān)管 的PWM 脈沖控制信號(hào)， tV 為開(kāi)關(guān)管的端電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖 3． 3 所示。 ⑴ .AP 法設(shè)計(jì)變壓器 采用 Colonel Wm． T McLyamn 提出的面積乘積 (AP)法來(lái)設(shè)計(jì)電感器和變壓器解決了上述過(guò)程的繁瑣。 要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出 正弦波逆變器 LC 濾波器的參數(shù)不是很容易，但可以先近 近似 計(jì)算，然后在實(shí)際電路中檢驗(yàn)。 如下圖 所示： 圖 3． 7電壓型 PWM 控制 電壓型 PWM 控制模式有以下優(yōu)點(diǎn)： 1．振蕩電路產(chǎn)生的三角波幅值較大，抗噪聲性能好； 2．驅(qū)動(dòng)信號(hào) wmU 的占空比調(diào)節(jié)沒(méi)有限制； 3．反饋環(huán)節(jié)只有電壓反饋，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試也容易； 4．通常采樣 電壓來(lái)自輸出端，對(duì)輸出電壓和負(fù)載的變化響應(yīng)特性都比較好。這樣的脈沖寬度隨正弦規(guī)律變化的 PWM 波形就是 SPWM 波形。三階 SPWM 波可用逆變器主電路 2 個(gè)橋臂產(chǎn)生，也可以用控制信號(hào)得到。當(dāng)三階 SPWM 波載波比為二階 SPWM 波載波比的二倍時(shí)，二階 SPWM 波頻譜中部分諧波在三階 SPWM 波頻譜中為零，這說(shuō)明三階 SPWM 波具有更好的消除諧波的作用。 本文主電路要求死區(qū)時(shí)間盡量小，以使輸出濾波電感的尺寸盡量小，一般取幾歐姆即可。重點(diǎn)在于 DCDC 升壓電路的主變壓器設(shè)計(jì)和濾波電路設(shè)計(jì)以及 DC— AC 輸出濾波電路設(shè)計(jì)，使主電路穩(wěn)定輸出的前提下電路結(jié)構(gòu) 盡量簡(jiǎn) 28 單， 體積盡量小。 圖 3． 4 電流連續(xù)與不連續(xù)情形 對(duì)于推挽變換電路，整流后電壓 1V 與濾波后輸出電壓 oV 的關(guān)系為 oV = 1V TTon2? (3． 12) 式中 onT 為一個(gè)周期內(nèi)單個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間， T 為電路工作周期，設(shè) dI 為斜坡電流峰值，則 dI = L TVV ono)( 1 ? = oI2 (3． 13) 25 即： oonoI TVVL 2 )( 1 ?? 通常額定電流 onI 為最小輸出電流 oI 的 10 倍，則 oonoI TVVL 2 )( 1 ?? =ononoI TVV )(5 1 ? (3． 14) 把式 (3． 12)代入式 (3． 14)整理得： ?LonoI TVD2 )21(5 ? 上式中 D 為單個(gè)開(kāi)關(guān)管工作時(shí)的占空比，由上式可確定輸出濾波電感的大小，當(dāng)電路處于開(kāi)環(huán)工作時(shí) D 接近 0． 5，因此需要的濾波電感很小，很多電路中往往省略濾波電感而只用電容濾波。決定變壓器磁芯尺寸的是輸出最大功率與變壓器各方面參數(shù) (如磁芯窗口面積、磁芯截面積、最大磁通密度、電路工作頻率以及繞線電流密度等 )的關(guān)系。但它的響應(yīng)速度慢，波形畸變比較嚴(yán)重，噪聲 大。 軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)開(kāi)關(guān)損耗小，工作頻率高，但開(kāi)關(guān)管的額定電流或者額定電壓高，因此成本較高。